Шелегов Насосное оборудование АЕС 2011

Описание конструкционных особенностей насосов АЭС и их основных элементов и узлов является одной из основных задач данного учебного пособия. В пособии приведена классификация насосов, описаны принципы работы, основные параметры насосов

иих характеристики, некоторые вопросы теории насосов. Конструкции и характеристики конкретных насосов приведены для энергоблока с реактором ВВЭР-1000. Представленные рисунки и схемы снабжены необходимыми комментариями для облегчения усвоения излагаемого материала.

Учебное пособие ориентировано на студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Атомные электрические станции

иустановки», а также может быть полезным для студентов энергетических специальностей, изучающих оборудование тепловых и атомных станций.

11

Глава 1. ЕДИНИЦЫ, СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ, ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ГИДРАВЛИКИ

1.1. Основные свойства жидкостей

Жидкости по своим механическим свойствам разделяются на два класса: малосжимаемые (капельные) и сжимаемые (газообразные). С позиций физики, капельная жидкость значительно отличается от газа, с позиций механики жидкости, различие между ними не так велико, и законы, справедливые для капельных жидкостей, могут быть приложены также и к газам, когда их сжимаемостью можно пренебречь.

Капельные жидкости обладают определенным объемом, который практически не изменяется под действием сил. Газы, занимая все предоставленное им объем, могут значительно изменять объем, сжимаясь и расширяясь под действием сил. Таким образом, капельные жидкости легко изменяют форму (в отличие от твердых тел), но с трудом изменяют объем, а газы легко изменяют как объем, так и форму.

Основной механической характеристикой жидкостей является плотность. Плотностью называют массу жидкости, заключенную в

где m – масса жидкости в объеме V.

Рассмотрим основные физические свойства жидкости.

1. Сжимаемость, или свойство жидкости изменять свой объем под действием давления характеризуется коэффициентом βP объ-

емного сжатия, который представляет собой относительное изменение объема, приходящееся на единицу давления, т.е.

Знак «минус» обусловлен тем, что положительному приращению давления соответствует отрицательное приращение (т.е. уменьшение) объема жидкости.

Тогда плотность в зависимости от давления Р будет равна

12

где ρ0 и ρ − значения плотности при давлениях Р0 и Р. Величина, обратная коэффициенту βP , представляет собой объ-

где a – скорость распространения волн давления в упругой среде, равная скорости звука в этой среде. При температуре 20 °С скорость распространения звука в воздухе равна 330 м/с, в воде – 1480 м/с. Для капельных жидкостей модуль K уменьшается с увеличением температуры и возрастает с повышением давления. Для воды он при атмосферном давлении приблизительно равен

2 109 Па. Следовательно, при увеличении давления на 1 атм объем воды уменьшиться всего на 1/20 000 часть.

Как следует из формулы (1.3), при повышении давления воды, например до 400 атм, ее плотность повышается лишь на 2 %. Поэтому в большинстве случаев капельные жидкости можно считать несжимаемыми, т.е. принимать их плотность не зависимой от давления.

2. Температурное расширение характеризуется коэффициентом βT объемного расширения, который представляет собой среднее (в данном интервале температур) относительное изменение объема при изменении температуры на 1 °C, т.е

где ρ0 и ρ − значения плотности при температурах T0 и T. Зависи-

мость плотности воды от температуры при атмосферном давлении показана в табл. 1.1. Для сравнения, плотность простейшего представителя класса гликолей – этилен гликоля (ГОСТ 19710–83) при

200 °С равна 1112 кг/ м3.

13

Таблица 1.1

Зависимость плотности воды от температуры

Способность жидкостей менять плотность при изменении температуры широко используется для создания естественной циркуляции в котлах, отопительных системах и т.д.

3. Удельный вес – вес жидкости или газа G, приходящийся на единицу объема, т. е.

По определению, масса тела численно равна произведению мас-

Связь между плотностью и удельным весом можно определить

В системе СИ сила является не основной, а производной единицей и называется ньютоном. В соответствии с основным законом динамики силаF = ma, где m − масса, которая получает ускорение a под действием суммарной силы F.

Таким образом, 1 H =1мс2 1кг или [Н]= кг мс2 .

Из выражения (1.7) следует, что удельный вес жидкости или газа в g = 9,81 м/с2 раз больше, чем плотность.

Плотность воздуха при значениях атмосферного давления, равного 100 кПа, и температуры, равной 20 °С, т. е. при нормальных

условиях, составляет ρвоз=1,2 кгм3 . Плотность воды при тех же условиях ρвод ≈1000 кгм3 .

Плотность и удельный вес различных веществ определяют экспериментально с помощью высокоточной аппаратуры, а затем эти значения даются в виде таблиц или графиков.

4. Вязкостью называется свойство жидкостей оказывать сопротивление сдвигу. Она проявляется в виде внутреннего трения при

14

относительном перемещении смежных частиц жидкости. Таким образом, вязкость характеризует степень текучести жидкости или подвижность ее частиц. Вязкость есть свойство, противоположное текучести: более вязкие жидкости (глицерин, смазочные масла и др.) менее текучи и наоборот.

Касательное напряжение τ − это касательная составляющая напряжения, действующего на жидкость. В то время как давление – нормальное к площади напряжение. Касательное напряжение в жидкости, как результат ее вязкости, зависит от рода и характера течения и изменяется прямо пропорционально поперечному градиенту скорости dνdy и равно

где µ – коэффициент динамической или абсолютной вязкости. Поперечный градиент скорости dνdy определяет собой изменение

скорости, приходящееся на единицу длины в направлении y, т.е. перпендикулярно направлению течения жидкости и, следовательно, характеризует интенсивность сдвига слоев жидкости в данной точке.

Коэффициент динамической вязкости в системе СИ имеет размерность Па с или Н см2 , или кг(м с). Широко используется размерность пуаз, при этом 1 пуаз = 0,1 Па с .

Наряду с динамическим коэффициентом вязкости µ применяют еще так называемый кинематический коэффициент вязкости

В качестве единицы измерения кинематического коэффициента вязкости употребляется также стокс(Ст) =1 см2 с.

Вязкость капельных жидкостей при увеличении температуры уменьшается, а вязкость газов возрастает. Вода принадлежит к наименее вязким жидкостям. Лишь немногие из практически используемых жидкостей (эфир, спирт) имеют меньшую вязкость, чем вода. В табл. 1.2 показаны значения вязкости воды от температуры.

15

Таблица 1.2

Зависимость вязкости воды от температуры

Вязкость жидкостей также зависит от давления, однако эта зависимость существенно проявляется лишь при относительно больших (порядка нескольких сотен атмосфер) изменениях давления.

5.Молекулы жидкости, расположенные у поверхности контакта

сдругой жидкостью, газом или твердым телом, находятся в условиях, отличных от условий молекул, находящихся внутри объема. Внутри объема жидкости молекулы окружены со всех сторон такими же молекулами, вблизи поверхности – лишь с одной стороны, поэтому энергия поверхностных молекул отличается от энергии молекул, находящихся в объеме жидкости, на некоторую величину, силы поверхностного натяжения, стремящейся придать объему жидкости сферическую форму и вызывающей некоторое дополнительное давление в жидкости. Однако это давление заметно сказывается лишь на малых размерах и для сферических объемов (капель).

Влияние сил поверхностного натяжения приходится учитывать при работе с жидкостными приборами для измерения давления, при истечении жидкости из малых отверстий, фильтрации, образовании капель и в других случаях, когда прочие силы, действующие на жидкость (вес, давление) малы. Действительно в трубках малого диаметра возникает дополнительное давление, обусловленное поверхностным натяжением, которое вызывает подъем или опускание жидкости в ней относительно нормального уровня. Высоту подъема смачивающей жидкостью или опускание несмачивающей жидкости в трубке диаметром d (рис. 1.1) определяют по формуле

16

где коэффициент k имеет следующие значения: для воды +30 мм2, для ртути –10,1 мм2.

Это значит, что при замере давления с помощью трубочки диаметром 1 мм, мы будем мерить давление на 30 мм Н2О больше чем оно есть на самом деле, для ртути на 10 мм Hg меньше давление, чем оно есть на самом деле из-за того, что жидкость в трубочках поднялась или опустилась из-за сил поверхностного натяжения.

Поэтому при измерениях следует применять трубки большого диаметра, когда силы поверхностного натяжения минимальны.

6. Теплоемкость – параметр, характеризующий способность среды или тела аккумулировать тепло. Количество энергии, передаваемое при тепловом взаимодействии тел, называется количеством тепла. В системе СИ теплота измеряется в джоулях, но может измеряться и в калориях. Они связаны следующим соотношением

1 кал = 4,1868 Дж.

Удельная теплоемкость численно равна количеству тепла, которое необходимо сообщить телу единичной массы для повышения его температуры от t °С до (t +1)°С. Количество тепла, полученное

где C – удельная теплоемкость.

Теплоемкость зависит от условий нагревания. При изобарическом процессе (нагревание происходит при постоянном давлении), она называется теплоемкостью при постоянном давлении – CP .

Теплоемкость при изохорическом процессе (нагревание осуществляется при постоянном объеме) называется теплоемкостью при постоянном объеме – CV . Всегда CP >CV . Для веществ в твердом

или жидком состоянии CP и CV отличаются незначительно. По-

этому в дальнейшем удельную теплоемкость будем обозначать как C.

17

Единицы измерения удельной теплоемкости: Дж(кг К) или ккал(кг К). В интервале от 0 до 100 °С удельная теплоемкость воды мало изменяются, и ее можно принять равной 1 ккал(кг К). Существенное увеличение удельной теплоемкости воды происходит при температуре более 200 °С.

7.Переход жидкости в газообразное состояние, происходящее с

ееповерхности, называется испарением, а обратный переход − конденсацией. Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям, однако интенсивность испарения неодинакова у различных жидкостей и зависит от условий, в которых они находятся.

Испарение, происходящее не только на поверхности, но и внутри жидкости, называется кипением. Оно происходит всегда при постоянной (для данного внешнего давления) температуре, которая называется температурой кипения. Испарение жидкости в открытом сосуде может продолжаться до полного исчезновения жидкости. В закрытом сосуде испарение жидкости продолжается до установления равновесия между массой вещества, находящегося в жидком состоянии и массой пара. При этом равновесии будут наблюдаться процессы испарения и конденсации, компенсирующие друг друга. Это так называемое динамическое равновесие. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, назы-

вается насыщенным.

С повышением температуры увеличиваются давление и плотность насыщенного пара, а плотность жидкости уменьшается. Так будет продолжаться до температуры, при которой их плотности станут равными друг другу. При этом пропадет граница между ними.

Один из показателей, характеризующих испаряемость жидко-

сти, − температура ее кипения при нормальном атмосферном давлении: чем выше температура кипения, тем меньше испаряемость жидкости.

В гидравлических системах работа насоса при нормальном атмосферном давлении является лишь частным случаем. Обычно приходится иметь дело с испарением, а иногда и кипением жидкостей при различных температурах и давлениях. Поэтому более полной характеристикой испаряемости является давление (упругость) насыщенных паров PП , выраженное в функции от темпера-

18

туры. Давление, при котором закипает жидкость при данной температуре жидкости, называется давлением насыщенного пара. Чем больше давление насыщенных паров при данной температуре, тем больше испаряемость жидкости. С увеличением температуры давление PП повышается. В табл. 1.3 приведены значения давления

насыщенного пара для воды от температуры.

Таблица 1.3 Значения давления насыщенного пара для воды от температуры

Давление насыщенных паров зависит не только от физикохимических свойств жидкости, но и от соотношения объемов жидкой и газопаровой фаз. Давление насыщенных паров возрастает с увеличением части объема, занятого газовой фазой. Понятие насыщенного пара или упругости паров очень важно для оценки кавитационных свойств насосов.

8. Растворимость газов в жидкостях происходит при всех условиях, но количество растворенного газа в единице объема жидкости для разных жидкостей различно и изменяется с увеличением давления. Во всех жидкостях имеется растворенный газ. Его относительный объем, растворенный в жидкости до полного ее насыщения, можно считать прямо пропорциональным давлению, т.е.

где VГ – объем растворенного газа в объеме жидкости VЖ при нормальных стандартных условиях (давление = 1 атм, температура = 20 °С), k – коэффициент растворимости. Для стандартных

условий коэффициент k имеет следующие значения: для воды – 0,016, для керосина – 0,127, для масла – 0,08. То есть при прочих равных условиях в керосине всегда растворено большее количество газов (воздуха). При атмосферном давлении в 1 м3 воды находится

19

0,016 м3 воздуха. При увеличении давления в два раза во столько же увеличивается количество растворенного воздуха в том же объеме жидкости. При понижении давлении в жидкости или на входе в насос происходит выделение растворенного в ней газа. Причем газ выделяется из жидкости интенсивнее, чем растворяется в ней. Это явление отрицательно сказывается на работе насосов и гидравлических систем.

9. Если на тело действуют внешние силы, то в теле возникают силы реакции, направленные в сторону, противоположную действию сил, что обусловлено межмолекулярными связями. Выделим из общего объема небольшой замкнутый объем жидкости или газа. В этом случае силы реакции располагаются на поверхности выделенного объема. Произвольно действующую по отношению к поверхности силу реакции разложим на две составляющие: касательную и нормальную. Касательная составляющая, обусловленная вязкостью, действует вдоль поверхности элемента жидкости и проявляется только во время движения жидкости или газа. Нормальная составляющая силы реакции существует как в процессе движения, так и в покое.

Рассмотрим жидкостную систему, находящуюся в равновесии. Пусть имеется сосуд, содержащий объем жидкости или газа (рис. 1.2).

Расположим внутри объема этой жидкости произвольным образом плоскость АВ, которая разделит массу жидкости на две массы: I и II. Если отбросить массу II, то для того, чтобы равновесие остального объема не нарушалось, необходимо в каждой точке поверхности АB ввести силы, уравновешивающие воздействие массы II на оставшуюся часть жидкости. Предположим, что эти силы направлены произвольно к поверхности АВ (точное

направление их неизвестно). Считаем, что поверхность состоит из маленьких площадок размером S. На элементарную площадку действует произвольно направленная сила R . Разложим эту силу

20